Onde gravitazionali, identificato un secondo evento del rivelatore Advanced LIGO

Altra giornata epocale per la storia della fisica moderna quella di mercoledì 15 giugno 2016. Dalla Conferenza dell’American Astronomical Society in diretta da San Diego in California, i responsabili di Ligo e Virgo hanno dato l’annuncio dell’osservazione di un secondo evento di onde gravitazionali prodotte dallo scontro di due buchi neri distanti 1,4 miliardi di anni luce, confermando così la sensazionale scoperta dello scorso febbraio.

Gli scienziati hanno annunciato di avere rilevato una collisione nello Spazio tra due buchi neri con una massa di 14 e 8 volte quella del nostro Sole, che ha prodotto un’enorme quantità di energia. Dopo avere viaggiato per 1,4 miliardi di anni luce, le increspature nello spazio-tempo generate dalla fusione hanno attraversato la Terra e sono state captate lo scorso 26 dicembre dai rivelatori interferometrici gemelli LIGO (Laser InterferometerGravitational-WaveObservatory) collocati a Livingston, LO (USA) e Hanford, WA (USA). La scoperta è la seconda osservazione diretta delle cosiddette “onde gravitazionali.

Gli osservatori LIGO sono finanziati dalla National Science Foundation (NSF) e sono stati concepiti, costruiti e gestiti dal California Institute of Technology (Caltech) e dal Massachussetts Institute of Technology (MIT). La scoperta, oggetto di un lavoro in corso di pubblicazione su Physical Review Letters, si deve alla LIGO Scientific Collaboration, LSC (di cui fanno parte la Collaborazione GEO, e lo Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy, ACIGA) e alla Collaborazione Virgo, che hanno utilizzato i dati raccolti dalle due antenne LIGO.

L’Università del Sannio partecipa dal 2005 alla Collaborazione Scientifica LIGO attraverso il gruppo di ricerca guidato dal professor Innocenzo M. Pinto. Si deve al gruppo del professor Pinto il progetto degli specchi dicroici di Advanced LIGO, realizzati dal Laboratoire desMatériaux Avancés (LMA – CNRS/IN2P3) di Lione (FR), basato su un metodo originale, sviluppato dai ricercatori del gruppo di Unisannio e testato in collaborazione col California Institute of Technology, per la minimizzazione del rumore termico in multistrati dielettrici ad altissima riflettività. Le attività del gruppo sono state finanziate da UE (ELiTES – FP7), MIUR, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Regione Campania.

Le onde gravitazionali forniscono informazioni non altrimenti ottenibili sui meccanismi che le hanno generate e sulla natura dell’interazione gravitazionale.
I ricercatori hanno dedotto che le onde gravitazionali osservate sono state prodotte nella fase finale della coalescenza di un sistema binario di buchi neri — di masse stimate pari a circa 14 e 8masse solari — che ha prodotto un unico buco nero ruotante di massa stimata pari a circa 21 masse solari.

“È molto significativo che questi buchi neri siano molto meno massivi di quelli coinvolti nella prima osservazione,” nota Gabriela Gonzalez, portavoce della LIGO Scientific Collaboration (LSC) e professore di Fisica e Astronomia alla Louisiana State University (LSU). “A causa della massa inferiore, il segnale è rimasto più a lungo – circa un secondo – nella banda di osservazione del rivelatore, rispetto al primo evento. È un inizio promettente nella prospettiva di mappare le popolazioni di buchi neri del nostro universo”.

Durante il processo, occorso circa 1.4 miliardi di anni fa, una quantità di energia corrispondente a circa una massa solare è stata irradiata sotto forma di onde gravitazionali. Il segnale osservato proviene dalle ultime 27 orbite del sistema binario di buchi neri, prima della coalescenza. Dai tempi di arrivo del segnale — captato dall’antenna di Livingston 1.1 millisecondi prima di quella di Hanford — è stato possibile stimare approssimativamente la posizione della sorgente sulla sfera celeste.

“Prossimamente Virgo, l’Osservatorio Gravitazionale Interferometrico Europeo, si aggiungerà ad una rete di rivelatori di onde gravitazionali in crescita, che già lavora in sinergia coi telescopi terrestri per il follow-up dei segnali,” annuncia Fulvio Ricci, portavoce della Collaborazione Virgo e professore di Fisica all’Universita’ di Roma “La Sapienza”.

La prima rivelazione diretta di onde gravitazionali, annunciata l’11 febbraio 2016, è una pietra miliare nello sviluppo della Fisica e dell’Astronomia. Essa ha confermato un’importante predizione della Teoria della Relatività Generale di Einstein (1915), e ha segnato l’inizio della gravito-astronomia (gravitational-wave astronomy).

La seconda rivelazione “suggella la presenza della ‘O’ di ‘Osservatorio’ nel nome dell’antenna LIGO (Laser InterferometricGravitationalObservatory),”commenta Albert Lazzarini del California Institute of Technology (Caltech), direttore del LIGO Laboratory. “Con l’osservazione di due eventi ben visibili nei primi quattro mesi di osservazione, possiamo cominciare a fare previsioni su quanto spesso potremo in futuro osservare le onde gravitazionali. LIGO ci fornisce un modo nuovo di studiare alcuni tra i fenomeni piuù energetici e tuttavia più nascosti dell’Universo.”

“Stiamo iniziando ad avere un assaggio delle nuove informazioni astrofisiche che solo le antenne gravitazionali possono fornirci”, afferma David Shoemaker, del Massa-chussets Institute of Technology, che ha diretto il programma di costruzione di Advanced LIGO.

Ambo le osservazioni sono state rese possibili dalle migliorate caratteristiche di Advanced-LIGO, che con importanti miglioramenti ha permesso di aumentare la sensibilità dello strumento rispetto al rivelatore LIGO di prima generazione, estendendo considerevolmente il volume di Universo osservabile.

“Con l’avvento di Advanced LIGO, ci aspettavamo che i ricercatori sarebbero infine riusciti a rivelare fenomeni imprevisti, ma queste due osservazioni sono andate ben al di la’ delle nostre attese,” dichiara France A. Córdova, direttore della National Science Foundation (NSF).  “L’investimento quarantennale di NSF su questa ricerca fondamentale sta già fornendo nuove informazioni sulla natura dell’universo invisibile”.

Advanced LIGO inizierà un nuovo ciclo di osservazioni nell’autunno 2016. Per quella data è previsto un ulteriore aumento della sensibilità del rivelatore, che permetterà di osservare un volume dell’Universo 1.5-2 volte più grande. Il rivelatore Virgo dovrebbe entrare in funzione nella seconda metà di tale periodo di osservazione.

L’esperimento LIGO è condotto dalla Collaborazione Scientifica LIGO (LSC), che conta più di 1000 ricercatori provenienti dagli USA e da altri 14 Paesi. Sono oltre 90 le Università e gli Istituti di Ricerca che in LSC sviluppano le tecnologie su cui è basato il rivelatore e gli algoritmi per l’analisi dei dati. La rete di rivelatori che fa capo a LSC comprende i due interferometri LIGO, e il rivelatore GEO-600. All’esperimento GEO-600 partecipano ricercatori del Max-Planck-InstitutfürGravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) e della LeibnizUniversität Hannover, in collaborazione con le Università di Glasgow, Cardiff, Birmingham, ed altre Università del Regno Unito e l’Università delle Isole Baleari, in Spagna.

L’esperimento Virgo è condotto dalla Collaborazione Virgo, che conta più di 250 fisici ed ingegneri appartenenti a 19 gruppi di ricerca in Europa: 6 del Centre National de Recherche Scientifique (CNRS) francese; 8 dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano; 2 del National Instituut voor Kern fysica en Hoge-EnergieFysica(NIKHEF) in Olanda, il Wigner Research Center for Physics in Ungheria, il gruppo POLGRAW dell’Accademia delle Scienze Polacca (PAN) in Polonia e il laboratorio dello European Gravitational Observatory (EGO), che ospita l’antenna Virgo, nei pressi di Pisa, Italia.
La National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti è il principale Ente finanziatore di Advanced-LIGO. Enti finanziatori tedeschi (MaxPlanck Society), del Regno Unito (Science and Technology FacilitiesCouncil, STFC) e dell’Australia (AustralianResearchCouncil) hanno pure fornito sostegno significativo al progetto.

Diverse tecnologie chiave, che hanno reso Advanced LIGO molto più sensibile, sono state sviluppate e testate dalla collaborazione Anglo-Tedesca GEO.

Importanti risorse di calcolo sono state fornite dallo Atlas-Cluster di AEI-Hannover, dal LIGO Laboratory, dalla University of Syracuse, dal Cluster ARCCA della Cardiff University, dalla University of Wisconsin-Milwaukee, e dallo Open Science Grid. Varie Università hanno progettato costruito e testato componenti chiave di Advanced LIGO, tra cui: la Australian National University, la University of Adelaide, la University of Western Australia, la University of Florida, la Stanford University, la Columbia University di New York, e la Louisiana State University.